Wetterlexikon: Treibhausgase

Zu den Treibhausgasen zählte das Kyoto-Protokoll 1997 sechs Gase: Kohlendioxid (CO2), Methan (CH4), und Lachgas (N2O) sowie die fluorierten Treibhausgase (F-Gase), genauer: wasserstoffhaltige Fluorkohlenwasserstoffe (HFKW), perfluorierte Kohlenwasserstoffe (FKW), und Schwefelhexafluorid (SF6). 2015 wurde Stickstofftrifluorid (NF3) zu den Treibhausgasen hinzugefügt, deren Emission von den Staaten, die das Kyoto-Protokoll unterschrieben haben, beobachtet und verringert werden muss.

Während Kohlendioxid, Methan und Lachgas auch durch natürliche Prozesse in die Erdatmosphäre ausgestoßen werden, sind F-Gase fast ausschließlich menschengemacht. Sie entstehen hauptsächlich in der industriellen Produktion. Darüber hinaus sind auch Wasserdampf und Ozon sehr wichtige Treibhausgase. Die Klimagase unterscheiden sich in ihrem jeweiligen Gehalt in der Atmosphäre sowie in ihrem Treibhauspotential (GWP = Global Warming Potential).

Kohlendioxid (CO2) ist geruch- und farblos. Es hat einen Volumenanteil von 0,04% in der Atmosphäre. Trotz der insgesamt geringen Konzentration, nimmt CO2 für das Leben auf der Erde eine elementare Funktion ein, da es Pflanzen für die Photosynthese benötigen, um Sauerstoff zu produzieren.

CO2 kann kurzzeitig, aber auch mehrere hunderte Jahre bis zu 1000 Jahre in der Atmosphäre überdauern (Quelle: Umweltbundesamt). CO2 ist das Treibhausgas, das vom Menschen am stärksten freigesetzt wird - durch das Verbrennen fossiler Energieträger wie Kohle, Erdöl und Erdgas. Durch Strom- und Wärmeerzeugung, Verkehr und industrielle Produktion tragen Haushalte, Kleinverbraucher und die Industrie entscheidend zur globalen Erwärmung bei.

Kohlendioxid gelangt auch durch natürliche Prozesse in die Atmosphäre, zum Beispiel wenn Menschen und Tiere atmen. Auch Land- und Meerespflanzen stoßen bei der Blattatmung CO2 aus. Insgesamt geben Pflanzen allerdings mehr Sauerstoff ab und nehmen auch große Mengen an CO2 auf. Auch die Ozeane geben CO2 ab, nehmen aber auch mehr CO2 auf. Der steigende CO2-Ausstoß durch den Menschen sowie das Abholzen der Wälder sorgen dafür, dass natürliche Kohlenstoffzyklus aus dem Gleichgewicht gerät und der CO2-Gehalt in der Atmosphäre durch natürliche Prozesse nicht mehr kompensiert werden kann.

Das Treibhausgas Methan (CH4) ist geruch- und farblos und hochentzündlich, verbleibt jedoch nur 9 - 15 Jahre in der Atmosphäre. Der Gesamtanteil von Methan in der Atmosphäre entspricht nur einem Bruchteil des Kohlendioxid-Vorkommens. Allerdings ist Methan im Vergleich zu Kohlendioxid 21-mal klimawirksamer. Daher ist Methan auch ein bedeutendes anthropogenes Treibhausgas, das über ein Drittel in der Land- und Forstwirtschaft freigesetzt wird.

Wiederkäuer wie Rinder, Schafe und Ziegen produzieren Methan, wenn sie ihr Futter verdauen. Das ist ein ganz natürlicher Prozess - eine einzelne Kuh kann bis zu 300 Liter Methan am Tag ausstoßen. Die Massentierhaltung für die Produktion von Fleisch und Milch hat Methanausstoß deutlich erhöht und ist somit schlecht für das Klima. Doch auch Erdgasförderung, Abbau von Steinkohle, Reisanbau, Mülldeponien und Klärwerke sowie das Verbrennen von Biomaterial gelten als Quellen für die Methan-Freisetzung.

Methan wird auch durch die Natur in nicht unerheblichem Maße freigesetzt. Cyanobakterien, auch als Blaualgen bekannt, kommen im Meer, im Süßwasser und an Land vor und produzieren Methan. Durch den Klimawandel kommt es vermehrt zur Blaualgenblüte und der Methanausstoß nimmt weiter zu. Große Mengen an Methan sind auch in den Permafrostböden in den nördlichen Regionen und den Hochgebirgen gespeichert. Diese drohen durch das Schmelzen der Gletscher und die Erderwärmung freigesetzt zu werden.

Lachgas (Distickstoffoxid, N2O) ist ein farbloses, süßlich riechendes Spurengas, das etwa 121 Jahre in der Atmosphäre überdauert. Es ist dabei 298-mal so klimawirksam wie CO2. Die anthropogene Konzentration von Lachgas ist vor allem durch Dünger (Gülle) und die Massentierhaltung ansteigend. Es entsteht, wenn Mikroorganismen stickstoffhaltige Verbindungen im Boden abbauen oder bei chemischen Prozessen in der Industrie bei der Düngemittelproduktion oder bei der Herstellung von Kunststoffen. Auch Industrie und Verkehr tragen in geringerem Maße zum Lachgasausstoß bei. Lachgas entsteht auch natürlich durch bakterielle Prozesse in den Erdböden und in den Ozeanen.

Den fluorierten Treibhausgasen (F-Gasen) werden die vollhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (FKW), Fluorchlorkohlenwasserstoffe (FCKW), die teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoffe (H-FKW) sowie Schwefelhexafluorid (SF6), Stickstofffluorid (NF3) und Tetrafluormethan (CH4) zugeordnet. Die Gase werden fast ausschließlich industriell hergestellt und kommen bis auf CH4 ansonsten nicht natürlich in der Atmosphäre vor. Sie haben im Vergleich mit derselben Menge Kohlendioxid eine weitaus schädlichere Wirkung für das Klima, werden aber auch weitaus weniger stark emittiert.

Fluorkohlenwasserstoffe und Fluorchlorkohlenwasserstoffe werden hauptsächlich als Treibsubstanz in Spraydosen verwendet sowie als Kälte- und Löschmittel eingesetzt. Das Verwenden von FCKW als Treibgas in Haarsprays und als Kühlmittel wurde Anfang der 90er Jahre verboten, da FCKW die Ozonschicht massiv schädigte. Seither wurden andere fluorierte Treibhausgase genutzt, die der Ozonschicht nicht schaden, dabei wurde jedoch das globale Erwärmungspotenzial der F-Gase noch nicht erkannt. Der Anteil von teilhalogenierten Fluorkohlenwasserstoff (H-FKW) ist bei den weltweit ausgestoßenen F-Gasen seit 1990 beständig am höchsten.

Schwefelhexafluorid (SF6) ist dabei das stärkste bekannte Treibhausgas. Ein Kilogramm SF6 erwärmt das Klima ungefähr 27.000-mal stärker ein Kilogramm Kohlendioxid und verbleibt bis zu 3.200 Jahre in der Atmosphäre. Wegen der geringen Konzentration von SF6 in der Erdatmosphäre ist sein Einfluss auf die globale Erwärmung jedoch gering, obwohl die Emissionen weltweit ansteigend sind. SF6 wird bei der Herstellung und Reinigung von Bildschirmen, als Kontrastmittel beim Ultraschall oder als Isoliergas verwendet. Momentan machen alle F-Gase zusammen circa 10% der weltweiten menschengemachten Treibhausgas-Emissionen aus.

Ozon (O3) entsteht durch eine natürliche chemische Reaktion in der Stratosphäre in rund 15 bis 50 Kilometer Höhe, wenn Sauerstoffatome auf die energiereiche, kurzwellige UV-Strahlung der Sonne treffen und sich spalten (Ozon-Sauerstoff-Zyklus). Ozon beeinflusst den Strahlungshaushalt der Erde auf unterschiedliche Arte und Weise.

Ozon ist unregelmäßig in der Stratosphäre und der Troposphäre verteilt, wobei 90% des Ozongehalts in der Stratosphäre existieren. Ozon schützt durch das Absorbieren der UV-Strahlung in der Stratosphäre Pflanzen, Tiere und Menschen. Dadurch erwärmt die Ozonschicht in geringem Maße auch das Klima der Erdatmosphäre. Eine weitaus stärkere Wirkung auf das Klima hat Ozon als Treibhausgas in der Troposphäre, weil es umgekehrt auch Teile der an der Erdoberfläche reflektierten Wärmestrahlung aufnimmt und somit zusätzlich zur globalen Erwärmung beiträgt.

Ozon wird auch in der tiefergelegenen Troposphäre nicht direkt ausgestoßen, sondern bildet sich in einem photochemischen Prozess aus Sauerstoff und anderen sogenannten Vorläufergasen wie Stickstoffdioxid und Kohlenmonoxid bei entsprechender Sonnenstrahlung. Stickstoffdioxid und Kohlenmonoxid werden hauptsächlich durch die Verbrennung fossiler Energien in Industrie und Verkehr ausgestoßen.

Wenn Ozon bodennah in zu starker Konzentration vorhanden ist, entsteht der sogenannte Sommersmog. Bodennahes Ozon ist für alle Lebewesen ein gesundheitsschädliches Reizgas, das zudem den Treibhauseffekt verstärkt. Es hat im Vergleich zu den andere Treibhausgasen eine kurze atmosphärische Verweildauer – zwischen wenigen Tagen bis Wochen. Ozon entsteht auch auf natürliche Weise, zum Beispiel bei Gewitterentladungen.

Wasserdampf ist das bedeutendste Treibhausgas der Erdatmosphäre, da Wasserdampf zu etwa zwei Drittel zum natürlichen Treibhauseffekt beiträgt. Durch Wasserdampf in der Atmosphäre ist die Erde also überhaupt erst bewohnbar. Wasserdampf entsteht natürlich, wenn sich Wasser in den Ozeanen und auf dem Festland durch Sonnenergie erwärmt und in der Folge verdunstet.

Der vom Menschen ausgestoßene Wasserdampf ist für die Treibhauskonzentration nahezu irrelevant. Allerdings verdampft durch den von Kohlendioxid, Methan und den anderen Treibhausgasen verursachten Temperaturanstieg in der Erdatmosphäre immer mehr Wasser. Es entsteht eine positive Rückkopplung. Die Konzentration von Wasserdampf in der Atmosphäre steigt, was die globale Erwärmung und damit den Klimawandel weiter bestärkt.